JP7820180B2 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

窒化物系半導体発光素子

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Description

本開示は、窒化物系半導体発光素子に関する。
従来、青色光を出射する窒化物系半導体発光素子が知られているが、より短波長の紫外光を出射する高出力の窒化物系半導体発光素子が求められている（例えば、特許文献１など参照）。例えば、窒化物系半導体発光素子によって、ワット級の紫外レーザ光源を実現できれば、露光用光源、加工用光源などに用いることができる。
特開２０１４－１３１０１９号公報
紫外光を出射する窒化物系半導体発光素子の発光層として、例えば、量子井戸構造を有する活性層が用いられる。このような活性層は、一つ以上のウェル層と、複数のバリア層とを含む。紫外光は、可視光より波長が短い（つまり、エネルギーが大きい）ため、紫外光を出射するウェル層のバンドギャップエネルギーは、可視光を出射するウェル層のバンドギャップエネルギーより大きい。このため、バリア層の伝導帯ポテンシャルエネルギーと、電子量子準位エネルギーとの差が小さくなる。この場合、ウェル層からバリア層を超えてＰ側ガイド層へ電子が漏れやすくなるため、ウェル層における動作キャリア密度（つまり、窒化物系半導体発光素子の動作時におけるキャリア密度）が高くなる。
例えば、窒化物系半導体発光素子が、電流注入領域であるリッジを有するレーザ素子である場合、動作キャリア密度が高くなるにしたがって、ウェル層の電流注入領域における増幅利得が高くなる。一方、ウェル層の電流注入領域における複素屈折率の実部と虚部との関係（クラマース・クローニッヒの関係に対応）から、ウェル層における増幅利得が高くなるにしたがって、ウェル層の屈折率が低下する。さらに、ウェル層の電流注入領域におけるキャリア密度が高くなるにしたがって、プラズマ効果によりウェル層の電流注入領域における屈折率が低下する。したがって、ウェル層の電流注入領域の屈折率は、ウェル層の電流注入領域の外部の屈折率より低くなり得る。この場合、レーザ素子のリッジを含む導波路を伝搬するレーザ光の導波機構は、屈折率反導波型の利得導波機構となる。このため、レーザ光における、ウェル層の電流注入領域の外部を伝搬する部分の割合が大きくなり、ウェル層における吸収損失が増大する。したがって、レーザ素子の発振しきい電流値が増大し、熱飽和レベルが低下する。つまり、レーザ素子の温度特性が低下する。
本開示は、このような課題を解決するものであり、温度特性に優れた窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様は、Ｎ型クラッド層と、前記Ｎ型クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、前記Ｎ側ガイド層の上方に配置される活性層と、前記活性層の上方に配置される第一Ｐ側ガイド層と、前記第一Ｐ側ガイド層の上方に配置される電子障壁層と、前記電子障壁層の上方に配置される第二Ｐ側ガイド層と、前記第二Ｐ側ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを備え、前記第二Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記第一Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、前記Ｐ型クラッド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記電子障壁層の平均バンドギャップエネルギーより小さい。
本開示によれば、温度特性に優れた窒化物系半導体発光素子を提供できる。
図１は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な平面図である。 図２Ａは、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２Ｂは、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子が備える活性層の構成を示す模式的な断面図である。 図３は、４０５ｎｍ帯の半導体発光素子のウェル層及びバリア層におけるバンドギャップエネルギー及び屈折率の積層方向における分布を示すグラフである。 図４は、３７５ｎｍ帯の半導体発光素子のウェル層及びバリア層におけるバンドギャップエネルギー及び屈折率の積層方向における分布を示すグラフである。 図５は、３７５ｎｍ帯の半導体発光素子の水平方向における実効屈折率及び利得の分布を示すグラフである。 図６は、従来の紫外半導体発光素子の水平方向におけるファーフィールドパターンを示す図である。 図７は、比較例１に係る半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。 図８は、比較例２に係る半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。 図９は、実施の形態１に係る半導体積層体のバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。 図１０は、実施例Ｅ０１～実施例Ｅ０３、及び比較例Ｃ０１～比較例Ｃ０６の主要構成、及び特性計算結果を示す図である。 図１１は、実施例Ｅ０４～実施例Ｅ０６、及び比較例Ｃ１１～比較例Ｃ１６の主要構成、及び特性計算結果を示す図である。 図１２は、比較例Ｃ０２、比較例Ｃ１２、及び比較例Ｃ２１～比較例Ｃ２６の主要構成、及び特性計算結果を示す図である。 図１３は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の積層方向における位置の座標を示すグラフである。 図１４は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の２００ｍＡ動作時の動作電圧と、第一Ｐ側ガイド層の膜厚との関係を示すグラフである。 図１５は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の導波路損失と、第一Ｐ側ガイド層の膜厚との関係を示すグラフである。 図１６は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の実効屈折率差ΔＮと、第一Ｐ側ガイド層の膜厚との関係を示すグラフである。 図１７は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の光閉じ込め係数と、第一Ｐ側ガイド層の膜厚との関係を示すグラフである。 図１８は、実施例Ｅ０２の半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。 図１９は、実施例Ｅ０７の半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。 図２０は、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層におけるバンドギャップエネルギーと、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層におけるバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。 図２１は、実施の形態１に係る基板に半導体積層体を積層した場合に生じる基板及び半導体積層体の反りを示す模式的な側面図である。 図２２は、実施例Ｅ１１の半導体積層体の積層方向における位置とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。 図２３は、実施例Ｅ１１の半導体積層体の積層方向における位置と応力との関係を示すグラフである。 図２４は、実施例Ｅ１１の半導体積層体の積層方向における位置と、積分応力との関係を示すグラフである。 図２５は、実施例Ｅ１２の半導体積層体の積層方向における位置とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。 図２６は、実施例Ｅ１２の半導体積層体の積層方向における位置と応力との関係を示すグラフである。 図２７は、実施例Ｅ１２の半導体積層体の積層方向における位置と、積分応力との関係を示すグラフである。 図２８は、実施例Ｅ１３のウェル層に求められる組成を説明するためのグラフである。 図２９は、ウェル層のＩｎ組成比と、ＧａＮに対する格子不整との関係を示すグラフである。 図３０は、実施例Ｅ１４の半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布を模式的に示すグラフである。 図３１は、実施例Ｅ１５の半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布を模式的に示すグラフである。 図３２は、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３３は、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。
また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。
［１－１．全体構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図１、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図１及び図２Ａは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の全体構成を示す模式的な平面図及び断面図である。図２Ａには、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面が示されている。図２Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００が備える活性層１０４の構成を示す模式的な断面図である。なお、各図には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、右手系の直交座標系である。窒化物系半導体発光素子１００の積層方向は、Ｚ軸方向に平行であり、光（レーザ光）の主な出射方向は、Ｙ軸方向に平行である。
窒化物系半導体発光素子１００は、図２Ａに示されるように、窒化物系半導体層を含む半導体積層体１００Ｓを備え、半導体積層体１００Ｓの積層方向（つまり、Ｚ軸方向）に垂直な方向の端面１００Ｆ（図１参照）から光を出射する。本実施の形態では、窒化物系半導体発光素子１００は、共振器を形成する二つの端面１００Ｆ及び１００Ｒを有する半導体レーザ素子である。端面１００Ｆは、レーザ光を出射するフロント端面であり、端面１００Ｒは、端面１００Ｆより反射率が高いリア端面である。また、窒化物系半導体発光素子１００は、端面１００Ｆと端面１００Ｒとの間に形成された導波路を有する。本実施の形態では、端面１００Ｆ及び１００Ｒの反射率は、それぞれ、１６％及び９５％である。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の共振器長（つまり、端面１００Ｆと端面１００Ｒと間の距離）は１２００μｍ程度である。窒化物系半導体発光素子１００は、例えば、３７５ｎｍ帯にピーク波長を有する紫外光を出射する。なお、窒化物系半導体発光素子１００は、３７５ｎｍ帯以外にピーク波長を有する紫外光を出射してもよいし、紫外光以外の波長帯域にピーク波長を有する光を出射してもよい。
図２Ａに示されるように、窒化物系半導体発光素子１００は、基板１０１と、半導体積層体１００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体１００Ｓは、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側ガイド層１０３と、活性層１０４と、第一Ｐ側ガイド層１０５と、電子障壁層１０６と、第二Ｐ側ガイド層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
基板１０１は、窒化物系半導体発光素子１００の基台となる板状部材である。本実施の形態では、基板１０１は、Ｎ型クラッド層１０２の下方に配置され、Ｎ型ＧａＮからなる。より具体的には、基板１０１は、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされた厚さ８５００ｎｍのＧａＮ基板である。
Ｎ型クラッド層１０２は、基板１０１の上方に配置されるＮ型の窒化物系半導体層である。Ｎ型クラッド層１０２は、活性層１０４より屈折率が小さく、かつ、平均バンドギャップエネルギーが大きい層である。本実施の形態では、Ｎ型クラッド層１０２は、Ａｌを含む。また、Ｎ型クラッド層１０２の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比以下である。Ｎ型クラッド層１０２には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
ここで、本開示において、ある層の平均バンドギャップエネルギーとは、その層の積層方向のある位置でのバンドギャップエネルギーの大きさを、その層の積層方向の基板側の界面の位置から基板から遠い側の界面の位置まで積層方向に積分し、その層の膜厚（基板側界面と、基板から遠い側の界面間の距離）で割ったバンドギャップエネルギーの値のことである。
ある層の平均屈折率とは、その層の積層方向のある位置での屈折率の大きさを、その層の積層方向の基板側の界面の位置から基板から遠い側の界面の位置まで積層方向に積分し、その層の膜厚（基板側界面と、基板から遠い側の界面間の距離）で割った屈折率の値のことである。
ある層の平均Ａｌ組成比とは、その層の積層方向のある位置でのＡｌ組成比の大きさを、その層の積層方向の基板側の界面の位置から基板から遠い側の界面の位置まで積層方向に積分し、その層の膜厚（基板側界面と、基板から遠い側の界面間の距離）で割ったＡｌ組成比の値のことである。
ある層の平均不純物濃度とは、その層の積層方向のある位置での不純物濃度の大きさを、その層の積層方向の基板側の界面の位置から基板から遠い側の界面の位置まで積層方向に積分し、その層の膜厚（基板側界面と、基板から遠い側の界面間の距離）で割った不純物濃度の値のことである。不純物とは、Ｎ型半導体層では、Ｎ型の導電型を得るためにドーピングした不純物を指し、Ｐ型半導体層では、Ｐ型の導電型を得るためにドーピングした不純物を指す。
Ｎ側ガイド層１０３は、Ｎ型クラッド層１０２の上方に配置され、窒化物系半導体からなる光ガイド層である。Ｎ側ガイド層１０３は、Ｎ型クラッド層１０２より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０３の平均バンドギャップエネルギーは、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均バンドギャップエネルギーより大きく、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均バンドギャップエネルギーより小さい。Ｎ側ガイド層１０３は、Ａｌを含む。また、Ｎ側ガイド層１０３は、アンドープの窒化物系半導体層である。言い換えると、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ｎ型不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－３未満である。なお、以下では、Ｎ側の各層におけるＮ型不純物濃度、及び、Ｐ側の各層におけるＰ型不純物濃度を、いずれも単に不純物濃度とも称する。
活性層１０４は、Ｎ側ガイド層１０３の上方に配置され、窒化物系半導体からなる発光層である。本実施の形態では、活性層１０４は、量子井戸構造を有し、紫外光を出射する。具体的には、図２Ｂに示されるように、活性層１０４は、二つのバリア層１０４ａ及び１０４ｃと、二つのバリア層１０４ａ及び１０４ｃの間に配置されるウェル層１０４ｂとを含む。なお、活性層１０４の構成は、これに限定されない。例えば、活性層１０４は、多重量子井戸構造を有してもよい。具体的には、活性層１０４は、三つ以上のバリア層と、二つ以上のウェル層とを有してもよい。
バリア層１０４ａ及び１０４ｃの各々は、Ｎ側ガイド層１０３の上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する窒化物系半導体層である。バリア層１０４ｃは、バリア層１０４ａの上方に配置される。本実施の形態では、バリア層１０４ａ及び１０４ｃの各々のバンドギャップエネルギーは、ウェル層１０４ｂのバンドギャップエネルギー、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均バンドギャップエネルギー、及び、Ｎ側ガイド層１０３の平均バンドギャップエネルギーより大きく、電子障壁層１０６の平均バンドギャップエネルギーより小さい。
ウェル層１０４ｂは、バリア層１０４ａの上方に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する窒化物系半導体層である。
第一Ｐ側ガイド層１０５は、活性層１０４の上方に配置され、窒化物系半導体からなる光ガイド層である。第一Ｐ側ガイド層１０５は、Ｐ型クラッド層１０８より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。本実施の形態では、第一Ｐ側ガイド層１０５は、Ａｌを含む。第一Ｐ側ガイド層１０５は、アンドープの窒化物系半導体層である。言い換えると、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－３未満である。第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚は、二つのバリア層１０４ａ及び１０４ｃの各々の膜厚より厚い。第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚は、第二Ｐ側ガイド層１０７の膜厚より薄い。また、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均バンドギャップエネルギーは、バリア層１０４ａ及び１０４ｃのバンドギャップエネルギーより小さい。
電子障壁層１０６は、第一Ｐ側ガイド層１０５の上方に配置される窒化物系半導体層である。電子障壁層１０６のバンドギャップエネルギーは、バリア層１０４ｃのバンドギャップエネルギーより大きい。これにより、電子が活性層１０４からＰ型クラッド層１０８へ漏れることを抑制できる。本実施の形態では、電子障壁層１０６のバンドギャップエネルギーは、Ｐ型クラッド層１０８のバンドギャップエネルギーより大きい。
第二Ｐ側ガイド層１０７は、電子障壁層１０６の上方に配置され、窒化物系半導体からなる光ガイド層である。第二Ｐ側ガイド層１０７は、Ｐ型クラッド層１０８より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。また、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均バンドギャップエネルギーは、第一Ｐ側ガイド層１０５のバンドギャップエネルギーより大きい。本実施の形態では、第二Ｐ側ガイド層１０７は、Ａｌを含む。第二Ｐ側ガイド層１０７には、不純物がドープされている。言い換えると、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－３以上である。
Ｐ型クラッド層１０８は、第二Ｐ側ガイド層１０７の上方に配置され、Ｐ型の窒化物系半導体からなるクラッド層である。Ｐ型クラッド層１０８は、活性層１０４より屈折率が小さく、かつ、平均バンドギャップエネルギーが高い層である。Ｐ型クラッド層１０８の平均バンドギャップエネルギーは、電子障壁層１０６の平均バンドギャップエネルギーより小さい。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層１０８は、Ａｌを含む。Ｐ型クラッド層１０８には、不純物としてＭｇがドープされている。Ｐ型クラッド層１０８の活性層１０４に近い側の端部における不純物濃度は、活性層１０４から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。具体的には、Ｐ型クラッド層１０８は、膜厚４５０ｎｍのＡｌＧａＮ層であり、活性層１０４に近い側に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型ＡｌＧａＮ層と、活性層１０４から遠い側に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型ＡｌＧａＮ層とを有する。
Ｐ型クラッド層１０８には、リッジ１０８Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層１０８には、リッジ１０８Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝１０８Ｔが形成されている。本実施の形態では、リッジ幅Ｗは、３０μｍ程度である。また、図２Ａに示されるように、リッジ１０８Ｒの下端部（つまり、溝１０８Ｔの底部）と活性層１０４との間の距離をｄｐとしている。また、リッジ１０８Ｒの下端部と、電子障壁層１０６との間の距離をｄｃとしている。
コンタクト層１０９は、Ｐ型クラッド層１０８の上方に配置され、Ｐ側電極１１１とオーミック接触する窒化物系半導体層である。本実施の形態では、コンタクト層１０９は、膜厚６０ｎｍのＰ型ＧａＮ層である。コンタクト層１０９には、不純物として濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
電流ブロック層１１０は、Ｐ型クラッド層１０８の上方に配置され、活性層１０４からの光に対して透過性を有する絶縁層である。電流ブロック層１１０は、Ｐ型クラッド層１０８及びコンタクト層１０９の上面のうち、リッジ１０８Ｒの上面以外の領域に配置される。なお、電流ブロック層１１０は、リッジ１０８Ｒの上面の一部の領域にも配置されていてもよい。例えば、電流ブロック層１１０は、リッジ１０８Ｒの上面の端縁領域に配置されていてもよい。本実施の形態では、電流ブロック層１１０は、ＳｉＯ２層である。
Ｐ側電極１１１は、コンタクト層１０９の上方に配置される導電層である。本実施の形態では、Ｐ側電極１１１は、コンタクト層１０９及び電流ブロック層１１０の上方に配置される。Ｐ側電極１１１は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。
また、コンタクト層１０９上のＰ側電極１１１の少なくとも一部に波長３７５ｎｍ帯の光に対して屈折率の低いＡｇを用いることで、導波路を伝搬する光のＰ側電極１１１へのしみ出しを小さくすることができるため、Ｐ側電極１１１で発生する導波路損失を低減できる。Ａｇは波長３２５ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲で屈折率が０．５以下となり、波長３６０ｎｍから波長９５０ｎｍの範囲で屈折率が０．２以下となる。この場合、Ｐ型クラッド層１０８の膜厚が０．４μｍ以下であってもＰ側電極１１１への導波路を伝搬する光のしみ出しを低減することができるため、窒化物系半導体発光素子１００の直列抵抗を低減しつつ、導波路損失の増大を抑制することが可能である。この結果、動作電圧と動作電流の低減を行うことができる。
ここで、導波路を伝搬する光を安定してリッジ１０８Ｒ内に閉じ込めるためには、後述するように、リッジ１０８Ｒの内側領域の実効屈折率の方が、外側領域の実効屈折率の値より大きくなるように実効屈折率の差（ΔＮ）を形成する必要がある。具体的には、リッジ１０８Ｒの側壁に屈折率がＰ型クラッド層１０８よりも低いＳｉＯ２を形成し、リッジ１０８Ｒの外側領域の実効屈折率を小さくする必要がある。この場合、Ｐ型クラッド層１０８の膜厚が薄くなり過ぎるとリッジ１０８Ｒの側壁の厚さ方向にＳｉＯ２が形成される領域が小さくなるために、リッジ１０８Ｒの外側領域の実効屈折率を低減する効果が小さくなってしまう。このため、Ｐ型クラッド層１０８の膜厚は、０．１５μｍ以上必要である。
Ｎ側電極１１２は、基板１０１の下方に（つまり、基板１０１のＮ型クラッド層１０２などが配置された主面の反対側の主面に）配置される導電層である。Ｎ側電極１１２は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。
窒化物系半導体発光素子１００は、以上のような構成を有することにより、図２Ａに示されるように、リッジ１０８Ｒの内側の部分と、リッジ１０８Ｒの外側の部分（溝１０８Ｔ部分）との間に実効屈折率差ΔＮが生じる。これにより、活性層１０４のリッジ１０８Ｒの下方の部分で発生した光を水平方向（つまり、Ｘ軸方向）に閉じ込めることができる。
［１－２．紫外半導体発光素子の課題］
本開示の「発明が解決しようとする課題」において示した紫外半導体発光素子において生じ得る課題について、図３～図６を用いて詳細に説明する。以下では、図３は、紫外光より波長が長い４０５ｎｍ帯の半導体発光素子のウェル層及びバリア層におけるバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）及び屈折率の積層方向における分布を示すグラフである。図４は、紫外域である３７５ｎｍ帯の半導体発光素子のウェル層及びバリア層におけるバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）及び屈折率の積層方向における分布を示すグラフである。図５は、３７５ｎｍ帯の半導体発光素子の水平方向（図１～図２ＢのＸ軸方向に対応）における実効屈折率及び利得の分布を示すグラフである。図６は、従来の紫外半導体発光素子の水平方向におけるファーフィールドパターンを示す図である。図６の横軸は水平方向における放射角を示し、縦軸は光の強度を示す。
図３に示されるように、４０５ｎｍ帯の半導体発光素子においては、ウェル層のバンドギャップエネルギーが比較的小さいため、バリア層の伝導帯ポテンシャルエネルギーと電子量子準位エネルギーとの差ΔＥｃを比較的大きい値（１９８ｍｅＶ）とすることができる。この場合、電子のフェルミエネルギーＥｆがバリア層の伝導帯ポテンシャルエネルギーよりも十分小さくなるため、電子が、ウェル層から、バリア層を超えて、Ｐ側半導体層へ漏れることを抑制できる。
一方、紫外半導体発光素子においては、図４に示されるように、ウェル層のバンドギャップエネルギーが比較的大きいため、バリア層の伝導帯ポテンシャルエネルギーと電子量子準位エネルギーとの差ΔＥｃが小さい値（６７ｍｅＶ）となる。この場合、電子のフェルミエネルギーＥｆがバリア層の伝導帯ポテンシャルエネルギーよりも大きくなり得るため、電子が、ウェル層から、バリア層を超えて、Ｐ側半導体層へ漏れ易くなる。これに伴い、ウェル層における発光に寄与できないキャリアが多くなるため、ウェル層における動作キャリア密度が高くなる。
このようにウェル層における動作キャリア密度が高くなることで、ウェル層における光の増幅利得は高くなる。一方、ウェル層の電流注入領域における複素屈折率の実部と虚部との関係から、ウェル層における増幅利得が高くなるにしたがって、ウェル層の屈折率が低下する。さらに、ウェル層の電流注入領域におけるキャリア密度が高くなるにしたがって、プラズマ効果によりウェル層の電流注入領域における屈折率が低下する。したがって、ウェル層の電流注入領域の屈折率は、ウェル層の電流注入領域の外部の屈折率より低くなり得る。例えば、半導体発光素子がリッジを有するレーザ素子であり、リッジに電流が注入される場合、図５に示されるように、電流注入領域であるリッジにおける実効屈折率が電流注入領域の外部より低下し得る。
これにより、半導体発光素子のリッジに対応する導波路を伝搬するレーザ光の導波機構は、屈折率反導波型の利得導波機構となる。このため、レーザ光のうち、ウェル層における電流注入領域（リッジの下方に位置する領域）の外部を伝搬する部分の割合が高くなり、半導体発光素子のファーフィールドパターンの裾野部に、図６に示されるような、ピークが生じる。この場合、ウェル層における電流注入領域の外部においては、光が吸収されるため、ウェル層における吸収損失が増大する。したがって、半導体発光素子の発振しきい電流値が増大し、熱飽和レベルが低下する。つまり、半導体発光素子の温度特性が低下する。また、半導体発光素子の電流－光出力（ＩＬ）特性を示すグラフに、非線形に折れ曲がる部分（いわゆるキンク）が生じ得る。つまり、半導体発光素子の光出力の安定性が低下する。
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００は、このような紫外半導体発光素子の課題を解決するものである。
［１－３．光強度分布］
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における光強度分布について、比較例と比較しながら図７～図９を用いて説明する。図７及び図８は、それぞれ、比較例１及び比較例２に係る半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。図９は、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓのバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。図８及び図９には、それぞれ、比較例２及び本実施の形態に係る半導体積層体の積層方向におけるＰ型不純物濃度分布も併せて示されている。
図７に示される比較例１に係る半導体積層体は、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側ガイド層１０３と、活性層１０４と、Ｐ側ガイド層９１５と、電子障壁層９１６と、Ｐ型クラッド層１０８とを有する。比較例１に係る半導体積層体は、Ｐ側ガイド層９１５の構成において、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓと相違する。比較例１に係る半導体積層体では、Ｎ側ガイド層１０３とＰ側ガイド層９１５との組成及び膜厚が等しい。また、電子障壁層９１６は、Ｐ側ガイド層９１５と、Ｐ型クラッド層１０８との間に配置される。
このような比較例１に係る半導体積層体において、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｐ型クラッド層１０８とがＡｌＧａＮからなり、かつ、Ａｌ組成比が等しい場合、Ｐ型クラッド層１０８の方が、Ｎ型クラッド層１０２より屈折率が大きくなる。これは、Ｐ型不純物であるＭｇのイオン化エネルギーがＮ型不純物であるＳｉのイオン化エネルギーよりも大きいため、Ｎ型不純物濃度よりもＰ型不純物濃度を高く設定する必要があり、相対的に深いエネルギー準位を形成するＰ型層の方が光吸収が大きくなり屈折率が高くなるためと考えられる。したがって、図７に示されるように、光強度分布のピーク位置が、活性層１０４からＰ型クラッド層１０８に近づく向きに偏る。この結果、比較例１に係る半導体積層体においては、活性層１０４への光閉じ込め係数が小さくなり、動作キャリア密度が増大する。このため、ウェル層１０４ｂの屈折率が低下する。
また、比較例１に係る半導体積層体においても、図２Ａに示される窒化物系半導体発光素子１００と同様に、実効屈折率差ΔＮは、リッジ１０８Ｒの下端部から活性層１０４までの距離ｄｐに依存する。比較例１に係る半導体積層体は、第二Ｐ側ガイド層１０７を備えないため、活性層１０４近傍に垂直方向の光強度分布のピーク位置を位置させるためには、Ｐ型クラッド層１０８よりも屈折率の高いＰ側ガイド層９１５の膜厚を厚くする必要がある。このため、比較例１に係る半導体積層体における距離ｄｐは、本実施の形態に係る距離ｄｐより厚くなる。したがって、比較例１に係る半導体積層体の実効屈折率差ΔＮは、本実施の形態に係る実効屈折率差ΔＮより小さくなる。この結果、比較例１に係る半導体積層体では、動作中におけるレーザ光の横モードの安定性が低下する。
図８に示される比較例２に係る半導体積層体は、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側ガイド層１０３と、活性層１０４と、電子障壁層９２６と、Ｐ側ガイド層９２５と、Ｐ型クラッド層１０８とを有する。比較例２に係る半導体積層体は、電子障壁層９２６と、Ｐ側ガイド層９２５との配置において、比較例１に係る半導体積層体と相違する。図８に示されるように、比較例２に係る半導体積層体では、電子障壁層９２６とＰ側ガイド層９２５との積層方向における位置が比較例１に係る半導体積層体における電子障壁層９１６とＰ側ガイド層９１５との積層方向における位置から入れ替えられている。
このような比較例２に係る半導体積層体において、比較例１と比較して、電子障壁層９２６が、活性層１０４に近づくため、リッジ１０８Ｒの下端部から活性層１０４までの距離ｄｐが比較例１に係る距離ｄｐより小さくなる。したがって、比較例２に係る半導体積層体の実効屈折率差ΔＮは、比較例１に係る実効屈折率差ΔＮより大きくなる。この結果、比較例２に係る半導体積層体では、動作中におけるレーザ光の横モードの安定性が、比較例１より高められる。しかしながら、比較例２に係る半導体積層体では、Ｐ型不純物濃度が高い電子障壁層９２６が活性層１０４に隣接するため、電子障壁層９２６における光強度が高くなる。Ｐ型不純物濃度が高い電子障壁層９２６においては、フリーキャリア損失が大きいため、比較例２に係る半導体積層体では、導波路損失が比較例１より大きくなる。
本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓは、図９に示されるように、活性層１０４と、電子障壁層１０６との間に、バンドギャップエネルギーが小さい（つまり、屈折率が大きい）第一Ｐ側ガイド層１０５を備える。さらに、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均バンドギャップエネルギーは第二Ｐ側ガイド層１０７の平均バンドギャップエネルギーよりも小さく、平均屈折率は第一Ｐ側ガイド層１０５のほうが、第二Ｐ側ガイド層１０７よりも大きくなる。これにより、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓでは、比較例１及び比較例２に係る半導体積層体より、光強度分布のピーク位置を活性層１０４に近づけることができる。また、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均不純物濃度が１×１０１８ｃｍ－３未満、具体的には７×１０１７ｃｍ－３の窒化物系半導体層であるため（図９参照）、第一Ｐ側ガイド層１０５におけるフリーキャリア損失を低減できる。したがって、本実施の形態では、積層方向における光強度分布において、活性層１０４近傍のアンドープ領域と低不純物濃度である第一Ｐ側ガイド層１０５に存在する光分布の割合が大きくなるためフリーキャリア損失が小さくなり、導波路損失を低減できる。これにより、発振しきい電流値、及び熱飽和レベルを低減できる。つまり、温度特性に優れ、スロープ効率が高い窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。これにより、窒化物系半導体発光素子１００において、高温高出力動作が可能となる。図９には、第一Ｐ側ガイド層１０５の不純物濃度が積層方向に対して一定である場合を示しているが、活性層１０４から積層方向に離れるに従って、不純物濃度が単調増加しても良い。この場合、第一Ｐ側ガイド層１０５において、光強度が大きい活性層１０４に近い領域の不純物濃度を、活性層１０４から遠い領域の不純物濃度に対して相対的に低くできるため、窒化物系半導体発光素子１００の直列抵抗の増大を抑制しつつ、フリーキャリア損失を低減することができる。
なお、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓの第二Ｐ側ガイド層１０７には、不純物がドープされている。これにより、半導体積層体１００Ｓの電気抵抗を低減できるため、窒化物系半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。また、第二Ｐ側ガイド層１０７は、第一Ｐ側ガイド層１０５より、活性層１０４から離れているため、垂直方向の光分布強度が小さくなり、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を第一Ｐ側ガイド層１０５の平均不純物濃度より高めても、第二Ｐ側ガイド層１０７におけるフリーキャリア損失を抑制できる。
また、本実施の形態では、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚を、第二Ｐ側ガイド層１０７の膜厚より薄くすることで、距離ｄｐを低減している。したがって、本実施の形態では、実効屈折率差ΔＮを増大させることができる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の導波路への光閉じ込め係数を増大できる。これにより、窒化物系半導体発光素子１００においては、レーザ光の水平横モードを導波路へ安定的に閉じ込めることができるため、電流－光出力特性におけるキンクの発生を抑制できる。さらに、本実施の形態では、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７との合計膜厚は、Ｎ側ガイド層１０３の膜厚以上である。これにより、距離ｄｃをさらに増大させることが可能となるため、実効屈折率差ΔＮ及び光閉じ込め係数をより一層増大させることが可能となる。
また、本実施の形態では、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成比を、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均Ａｌ組成比より大きくすることで、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均バンドギャップエネルギーを第一Ｐ側ガイド層１０５の平均バンドギャップエネルギーより大きくしている。これにより、平均屈折率は第一Ｐ側ガイド層１０５の方が、第二Ｐ側ガイド層１０７よりも大きくできることから、光強度分布のピーク位置を活性層１０４により一層近づけることができる。したがって、本実施の形態では、窒化物系半導体発光素子１００の導波路損失を低減できる。
［１－４．実施例］
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の実施例について、図１０～図１３などを用いて、比較例と比較しながら説明する。図１０は、実施例Ｅ０１～実施例Ｅ０３、及び比較例Ｃ０１～比較例Ｃ０６の主要構成、及び特性計算結果を示す図である。図１１は、実施例Ｅ０４～実施例Ｅ０６、及び比較例Ｃ１１～比較例Ｃ１６の主要構成、及び特性計算結果を示す図である。図１２は、比較例Ｃ０２、比較例Ｃ１２、及び比較例Ｃ２１～比較例Ｃ２６の主要構成、及び特性計算結果を示す図である。なお、図１０～図１２には、パラメータと特性との対比を容易化するために、同一の比較例のデータが複数個所に記載されている（例えば、比較例Ｃ０２など）。図１３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における位置の座標を示すグラフである。図１３に示されるように、活性層１０４のウェル層１０４ｂのＮ側の端面、つまり、ウェル層１０４ｂのＮ側ガイド層１０３に近い方の端面の積層方向における位置の座標をゼロとし、下方（Ｎ側ガイド層１０３に向かう向き）を座標の負の向きとし、上方（第一Ｐ側ガイド層１０５に向かう向き）を座標の正の向きとする。
［１－４－１．実施例Ｅ０１］
実施例Ｅ０１について説明する。実施例Ｅ０１の窒化物系半導体発光素子１００は以下のような構成を有する（図１０参照）。Ｎ型クラッド層１０２は、濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされた膜厚８００ｎｍのＮ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層である。Ｎ側ガイド層１０３は、膜厚１８０ｎｍのアンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層である。バリア層１０４ａ及び１０４ｃの各々は、膜厚１０ｎｍのアンドープＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。ウェル層１０４ｂは、膜厚１７．５ｎｍのアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層である。第一Ｐ側ガイド層１０５は、膜厚５６ｎｍのアンドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。電子障壁層１０６は、濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚５ｎｍのＰ型Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ層である。第二Ｐ側ガイド層１０７は、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１２４ｎｍのＰ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。Ｐ型クラッド層１０８は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層である。Ｐ型クラッド層１０８は、活性層１０４に近い側に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層と、活性層１０４から遠い側に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層とを有する。コンタクト層１０９は、濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１００ｎｍのＰ型ＧａＮ層である。
なお、比較例Ｃ０１～Ｃ０６の構成のうち図１０に示されていない構成は、実施例Ｅ０１の構成と同じである。例えば、比較例Ｃ０２及び比較例Ｃ０６の窒化物系半導体発光素子は、第一Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比（Ｘｐｇ１）、及び、第二Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比（Ｘｐｇ２）において実施例Ｅ０１と相違し、その他の構成において一致する。比較例Ｃ０２においては、第一Ｐ側ガイド層と第二Ｐ側ガイド層との組成が同じであることから、第二Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、第一Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーと等しい。また、比較例Ｃ０６の窒化物系半導体発光素子においては、第二Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比が第一Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比より小さいことから、第二Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、第一Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより小さい。
一方、実施例Ｅ０１に係る窒化物系半導体発光素子１００においては、第二Ｐ側ガイド層１０７のＡｌ組成比が第一Ｐ側ガイド層１０５のＡｌ組成比より大きいことから、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均バンドギャップエネルギーは、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均バンドギャップエネルギーより大きい。図１０に示される実施例Ｅ０１と比較例Ｃ０２及び比較例Ｃ０６との特性計算結果を比較すると、実施例Ｅ０１では、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均バンドギャップエネルギーが、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均バンドギャップエネルギーより大きいことにより（つまり、第一Ｐ側ガイド層１０５の屈折率が第二Ｐ側ガイド層１０７の屈折率より高いことにより）、積層方向における光分布において、活性層１０４近傍のアンドープ領域と低不純物濃度の第一Ｐ側ガイド層１０５とに存在する光の割合が大きくなるため、光閉じ込め係数を増大し、かつ、導波路損失を低減できることが分かる。
次に、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚（Ｔｐｇ１）、及び、第二Ｐ側ガイド層１０７における不純物濃度（Ｐｐｇ２）について、図１４～図１７を用いて説明する。図１４及び図１５は、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の２００ｍＡ動作時の動作電圧、及び、導波路損失と、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚との関係を示すグラフである。図１４及び図１５においては、比較例Ｃ０１に係る窒化物系半導体発光素子１００の第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７の合計膜厚を１４０ｎｍとし、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚を変化させた場合の動作電圧及び導波路損失が、それぞれ示されている。また、図１４及び図１５には、それぞれ、第二Ｐ側ガイド層１０７における平均不純物濃度（平均Ｍｇ濃度）を１×１０１７ｃｍ－３から５×１０１８ｃｍ－３まで変化させた場合の動作電圧及び導波路損失が示されている。図１６及び図１７は、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の実効屈折率差ΔＮ及び光閉じ込め係数と、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚との関係を示すグラフである。
図１４に示されるように、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を５×１０１７ｃｍ－３以上とすることで、動作電圧を低減できる。図１５に示されるように、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を２×１０１８ｃｍ－３以下とすることで、導波路損失を低減できる。したがって、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下とすることで、動作電圧及び導波路損失の両方を低減できる。さらに、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を１×１０１８ｃｍ－３以下とすることで、導波路損失をより一層低減できる。
図１４及び図１７に示されるように、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚を厚くするにしたがって、動作電圧が低減され、かつ、光閉じ込め係数が増大する。一方、図１６に示されるように、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚を薄くする（つまり、第二Ｐ側ガイド層１０７の膜厚（Ｔｐｇ２）を厚くする）にしたがって、実効屈折率差ΔＮが増大する。しかしながら、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚を薄くするとＡｌ組成が高く屈折率の低い電子障壁層１０６が活性層１０４に近づくために光閉じ込め係数が低下する。
そこで、実施例Ｅ０１に示すように、第一Ｐ側ガイド層１０５のＡｌ組成比を第二Ｐ側ガイド層１０７のＡｌ組成比よりも低く設定すること、すなわち、第一Ｐ側ガイド層１０５の屈折率を第二Ｐ側ガイド層１０７に対して相対的高くすることで、光閉じ込め係数を高めることが可能となる。この様な構成を採用することで、比較例Ｃ０１の構造では、光閉じ込め係数が４．８６％であったところ、実施例Ｅ０１構造では、光閉じ込め係数を５．６５％まで高めることができる。
また、実施例Ｅ０１の構造においても、図１４に示されるように、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を５×１０１７ｃｍ－３以上とすることで、動作電圧を低減できる。さらに、図１５に示されるように、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を２×１０１８ｃｍ－３以下とすることで、導波路損失を低減できる。したがって、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下とすることで、動作電圧及び導波路損失の両方を低減する効果を得ることができる。さらに、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を１×１０１８ｃｍ－３以下とすることで、導波路損失が４．９１ｃｍ－１と、より一層低減できる。
以上のことから、実施例Ｅ０１のように、第二Ｐ側ガイド層１０７の膜厚を、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚より厚くし、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度を５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下とすることで、実効屈折率差ΔＮの増大、動作電圧の低減、及び、導波路損失の低減を実現できる。
実施例Ｅ０１に係る構造では、１７．６７×１０－３という１×１０－２以上の高い実効屈折率差ΔＮを実現できる。これにより、動作キャリア密度増大に伴うウェル層の屈折率低下から屈折率反導波型の利得導波機構が発生し易いという従来の紫外線半導体レーザ素子の課題を合わせて解決できる。電流注入の無い状態における、導波路構造で決まるΔＮが１×１０－２以上あると、レーザ発振動作中におけるウェル層の動作キャリア密度増大に伴うウェル層屈折率低下により、レーザ発振動作中の実効屈折率差ΔＮの低下が生じても、実効屈折率差ΔＮが負になることはなく、安定した屈折率導波機構を維持できる。このような１×１０－２以上の高い実効屈折率差ΔＮが得られるのは、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓにおいて第一Ｐ側ガイド層１０５と第二Ｐ側ガイド層１０７の間に電子障壁層１０６を形成した結果、電子障壁層１０６と活性層１０４の間の距離ｄｐを低減することができるためである。
［１－４－２．実施例Ｅ０２］
実施例Ｅ０２について説明する。実施例Ｅ０２の窒化物系半導体発光素子１００は、Ｎ側ガイド層１０３、第一Ｐ側ガイド層１０５、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の膜厚において実施例Ｅ０１の窒化物系半導体発光素子１００と相違する（図１０参照）。具体的には、実施例Ｅ０２のＮ側ガイド層１０３の膜厚（Ｔｎｇ）は、１４０ｎｍであり、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚（Ｔｐｇ１）は７２ｎｍであり、第二Ｐ側ガイド層１０７の膜厚（Ｔｐｇ２）は１４８ｎｍである。このように、実施例Ｅ０２においては、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層１０３の膜厚よりも厚い。この構成による効果について、比較例Ｃ０１～比較例Ｃ０３を用いて説明する。図１０に示されるように比較例Ｃ０１の窒化物系半導体発光素子においては、第一Ｐ側ガイド層及び第二Ｐ側ガイド層の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層の膜厚（Ｔｎｇ）よりも薄い。比較例Ｃ０２の窒化物系半導体発光素子においては、第一Ｐ側ガイド層及び第二Ｐ側ガイド層の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層の膜厚と等しい。比較例Ｃ０３の窒化物系半導体発光素子においては、第一Ｐ側ガイド層及び第二Ｐ側ガイド層の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層の膜厚よりも厚い。図１０に示される比較例Ｃ０１～比較例Ｃ０３の特性計算結果からわかるように、第一Ｐ側ガイド層及び第二Ｐ側ガイド層の合計膜厚がＮ側ガイド層の膜厚と比較して厚くなるにしたがって、実効屈折率差ΔＮが大きくなる。比較例Ｃ０３と同様に、実施例Ｅ０２の窒化物系半導体発光素子１００においても、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層１０３の膜厚より厚いため、実効屈折率差ΔＮを増大することができる。
ここで、実施例Ｅ０２の窒化物系半導体発光素子１００の積層方向におけるＰ型不純物（Ｍｇ）濃度の分布例について、図１８を用いて説明する。図１８は、実施例Ｅ０２の半導体積層体１００Ｓの積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。図１８には、実施例Ｅ０２の半導体積層体１００Ｓの積層方向におけるＰ型不純物濃度分布例も併せて示されている。
上述したとおり、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均不純物（Ｍｇ）濃度は、１．０×１０１８ｃｍ－３未満である。これにより、窒化物系半導体発光素子１００の導波路損失の増大を抑制し、かつ、動作電圧を低減できる。また、図１８に示されるＰ型不純物濃度分布例のように、第一Ｐ側ガイド層１０５の不純物濃度は、活性層１０４から遠ざかるにしたがって増大してもよい。これにより、第一Ｐ側ガイド層１０５における活性層１０４に近い領域、つまり、光強度の大きい領域において、不純物濃度を低減でき、かつ、第一Ｐ側ガイド層１０５における活性層１０４から遠い領域、つまり、光強度の小さい領域において、不純物濃度を増大できる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の導波路損失の低減と、動作電圧の低減とを両立できる。なお、この場合、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均不純物濃度は、１．０×１０１７ｃｍ－３以上１．０×１０１８ｃｍ－３未満であってもよい。
また、上述したとおり、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均不純物濃度は、１．０×１０１８ｃｍ－３以上である。これにより、窒化物系半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。また、第二Ｐ側ガイド層１０７の不純物濃度は、活性層１０４から遠ざかるにしたがって増大してもよい。これにより、第二Ｐ側ガイド層１０７における活性層１０４に近い領域、つまり、光強度の大きい領域において、不純物濃度を低減でき、かつ、第二Ｐ側ガイド層１０７における活性層１０４から遠い領域、つまり、光強度の小さい領域において、不純物濃度を増大できる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の導波路損失の低減と、動作電圧の低減とを両立できる。より具体的には、第二Ｐ側ガイド層１０７における活性層１０４に近い領域、つまり、第二Ｐ側ガイド層１０７のうち、活性層１０４に近い側の界面から積層方向の中央までの領域における平均不純物濃度は、１．０×１０１８ｃｍ－３以上３．０×１０１８ｃｍ－３以下であり、第二Ｐ側ガイド層１０７のうち、積層方向の中央から、活性層１０４から遠い側の界面までの領域における平均不純物濃度は、１．０×１０１９ｃｍ－３以上１．０×１０２０ｃｍ－３以下であってもよい。
また、Ａｌ組成比が大きい電子障壁層１０６においては、不純物であるＭｇの活性化率が低いため、電子障壁層１０６における電気抵抗を低減するためには、不純物濃度を高める必要がある。このような電子障壁層１０６への高濃度Ｍｇドープに伴い、第二Ｐ側ガイド層１０７へＭｇが拡散するため、図１８に示されるように、第二Ｐ側ガイド層１０７と電子障壁層１０６との界面において、不純物濃度が高くなり、当該界面から不純物濃度が最小となる位置（Ｐｘ１又はＰｘ２）に近づくにしたがって、不純物濃度が低くなる。
そこで、第二Ｐ側ガイド層１０７及びＰ型クラッド層１０８における不純物濃度について、図１８に示されるＰ型不純物濃度分布例（実線及び破線）のように、電子障壁層１０６からＰ型クラッド層１０８に向かって（つまり上方に向かって）積層方向に０．２μｍ以内の距離で、不純物濃度が最小となる位置（Ｐｘ１又はＰｘ２）があり、この位置から上方に向かって不純物濃度が単調に増加してもよい。これにより、第二Ｐ側ガイド層１０７及びＰ型クラッド層１０８のうち、活性層１０４に近い領域における不純物濃度を低減できるため、導波路損失の増大を抑制できる。なお、不純物濃度が最小となる位置は、第二Ｐ側ガイド層１０７に位置してもよいし、Ｐ型クラッド層１０８に位置してもよい。
波長３７５ｎｍ帯の紫外域においては、Ａｌ組成比が６％以下のＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比が小さくなるほど、Ｐ型不純物として使用するＭｇの不純物準位と伝導帯との間の光吸収損失の影響が増大する。このため、Ａｌ組成比が６％以下のＡｌＧａＮ層でのＭｇ濃度をできるだけ低くすることで、フリーキャリア損失、及び、Ｍｇの不純物準位を介した光吸収損失の影響を低減できる。
したがって、第二Ｐ側ガイド層１０７は、活性層１０４から遠ざかるにしたがってＭｇ濃度が減少する領域を有するとよい。これにより、Ｍｇドープに伴うフリーキャリア損失、及び、Ｍｇの不純物準位を介した光吸収損失の影響を低減できる。
［１－４－３．実施例Ｅ０３］
実施例Ｅ０３について説明する。実施例Ｅ０３の窒化物系半導体発光素子１００は、Ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比（Ｘｎｃ）において、実施例Ｅ０２の窒化物系半導体発光素子１００と相違する（図１０参照）。具体的には、実施例Ｅ０３のＮ型クラッド層１０２のＡｌ組成比は、４．５％である。このように、実施例Ｅ０３においては、Ｎ型クラッド層１０２の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比より小さい。
この構成による効果について、比較例Ｃ０４、比較例Ｃ０２、及び比較例Ｃ０５を用いて説明する。図１０に示されるように比較例Ｃ０４の窒化物系半導体発光素子においては、Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比より小さい。比較例Ｃ０２の窒化物系半導体発光素子においては、Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比と等しい。比較例Ｃ０５の窒化物系半導体発光素子においては、Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比より大きい。
Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比が、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比と比べて小さくなるにしたがって、Ｎ型クラッド層の平均屈折率を増大することができる。したがって、窒化物系半導体発光素子の積層方向における光強度分布のピーク位置（つまり、図１０に示される垂直光分布ピーク位置）が、活性層からＰ型クラッド層へ向かう向きに偏り過ぎることを抑制できる。これにより、図１０の比較例Ｃ０４、比較例Ｃ０２、及び比較例Ｃ０５の特性計算結果に示されるように、Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比が、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比と比べて小さくなるにしたがって、導波路損失を低減できる。
比較例Ｃ０４と同様に、実施例Ｅ０３の窒化物系半導体発光素子１００においても、Ｎ型クラッド層１０２の平均Ａｌ組成比が、Ｐ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比より小さいため、導波路損失を低減できる。
［１－４－４．実施例Ｅ０４］
実施例Ｅ０４について説明する。実施例Ｅ０４の窒化物系半導体発光素子１００は、各層のＡｌ組成比において、実施例Ｅ０１と相違し、その他の構成において一致する。具体的には、図１１に示されるように、実施例Ｅ０４のＮ型クラッド層１０２、Ｎ側ガイド層１０３、各バリア層、第一Ｐ側ガイド層１０５、第二Ｐ側ガイド層１０７、及びＰ型クラッド層１０８のＡｌ組成比は、それぞれ、１０％、５％、７％、４％、６％、及び１０％である。
なお、比較例Ｃ１１～Ｃ１６の構成のうち図１１に示されていない構成は、実施例Ｅ０４の構成と同じである。比較例Ｃ１２及び比較例Ｃ１６の窒化物系半導体発光素子は、第一Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比、及び、第二Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比において実施例Ｅ０４と相違し、その他の構成において一致する。比較例Ｃ１２においては、第一Ｐ側ガイド層と第二Ｐ側ガイド層との組成が同じであることから、第二Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、第一Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーと等しい。また、比較例Ｃ１６の窒化物系半導体発光素子においては、第二Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比が第一Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比より小さいことから、第二Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、第一Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより小さい。
一方、実施例Ｅ０４に係る窒化物系半導体発光素子１００においては、第二Ｐ側ガイド層１０７のＡｌ組成比が第一Ｐ側ガイド層１０５のＡｌ組成比より大きいことから、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均バンドギャップエネルギーは、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均バンドギャップエネルギーより大きい。図１１に示される実施例Ｅ０４と比較例Ｃ１２及び比較例Ｃ１６との特性計算結果を比較すると、実施例Ｅ０４では、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均バンドギャップエネルギーが、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均バンドギャップエネルギーより大きいことにより（つまり、第一Ｐ側ガイド層１０５の屈折率が第二Ｐ側ガイド層１０７の屈折率より高いことにより）、積層方向における光分布において、活性層１０４近傍のアンドープ領域と低不純物濃度の第一Ｐ側ガイド層１０５に存在する光の割合が大きくなるため、光閉じ込め係数を増大し、かつ、導波路損失を低減できることが分かる。
ここで、各層のＡｌ組成比の関係について、図１２を用いて説明する。図１２に示される比較例Ｃ２１～比較例Ｃ２３の窒化物系半導体発光素子は、各ガイド層のＡｌ組成比（Ｘｎｇ、Ｘｐｇ１、及びＸｐｇ２）において比較例Ｃ０２と相違し、その他の構成において一致する。比較例Ｃ２１、比較例Ｃ２２、及び比較例Ｃ２３においては、各ガイド層のＡｌ組成比は、それぞれ、２％、４％、及び５％である。図１２に示される比較例Ｃ２４～比較例Ｃ２６の窒化物系半導体発光素子は、各ガイド層のＡｌ組成比（Ｘｎｇ、Ｘｐｇ１、及びＸｐｇ２）において比較例Ｃ１２と相違し、その他の構成において一致する。比較例Ｃ２４、比較例Ｃ２５、及び比較例Ｃ２６においては、各ガイド層のＡｌ組成比は、それぞれ、４％、６％、及び７％である。
図１２の比較例Ｃ２１～比較例Ｃ２３及び比較例Ｃ０２の特性計算結果に示されるように、各クラッド層のＡｌ組成比が６．５％であって、各ガイド層のＡｌ組成比が４％以上である場合、垂直光分布ピーク位置の活性層からＰ型クラッド層へ向かう向きへの偏りが大きくなるため、導波路損失が増大する。また、図１２の比較例Ｃ２４～比較例Ｃ２６及び比較例Ｃ１２の特性計算結果に示されるように、各クラッド層のＡｌ組成比が１０％であって、各ガイド層のＡｌ組成比が６％以上である場合、垂直光分布ピーク位置の活性層からＰ型クラッド層へ向かう向きへの偏りが大きくなるため、導波路損失が増大する。
したがって、窒化物系半導体発光素子１００において、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均Ａｌ組成比、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比の６０％以下であってもよい。これにより、垂直光分布ピーク位置を活性層１０４の積層方向中央に近づけることができるため、導波路損失を低減できる。さらに、各ガイド層の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比の５０％以下であってもよい。これにより、より一層導波路損失を低減できる。ただし、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均Ａｌ組成比、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成比をあまりに小さくするとレーザ発振動作中における上記３層における電子のフェルミエネルギーと伝導帯電位との差が小さくなり、電子濃度が増大し、フリーキャリア損失が増大してしまう。これを抑制するためには、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均Ａｌ組成比、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成は、それぞれ１．５％以上あればよい。
また、図１２に示される各比較例では、各ガイド層のＡｌ組成比を同一の値としているが、Ｘｐｇ１＜Ｘｎｇ＜Ｘｐｇ２を満たすように各ガイド層のＡｌ組成比を定めることで、垂直光分布ピーク位置を活性層の積層方向中央に、より一層近づけることができる。したがって、より一層導波路損失を低減できる。このように、窒化物系半導体発光素子１００において、各ガイド層のＡｌ組成比が互いに異なる場合、Ｎ側ガイド層１０３、第一Ｐ側ガイド層１０５、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成比の平均値（つまり、Ｘｎｇ、Ｘｐｇ１、及びＸｐｇ２の平均値）は、Ｐ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比の６０％以下又は５０％以下であってもよい。これにより、さらに導波路損失を低減できる。ただし、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均Ａｌ組成比、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成比をあまりに小さくするとレーザ発振動作中における上記３層における電子のフェルミエネルギーと伝導帯電位との差が小さくなり、電子濃度が増大し、フリーキャリア損失が増大してしまう。これを抑制するためには、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均Ａｌ組成比、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成は、それぞれ１．５％以上あればよい。
また、窒化物系半導体発光素子１００において、Ｎ型クラッド層１０２及びＰ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比が互いに異なる場合、Ｎ側ガイド層１０３、第一Ｐ側ガイド層１０５、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成比の平均値（つまり、Ｘｎｇ、Ｘｐｇ１、及びＸｐｇ２の平均値）は、Ｎ型クラッド層１０２及びＰ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比の平均値（つまり、Ｘｎｃ及びＸｐｃの平均値）の６０％以下又は５０％以下であってもよい。ただし、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均Ａｌ組成比、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成比をあまりに小さくするとレーザ発振動作中における上記３層における電子のフェルミエネルギーと伝導帯電位との差が小さくなり、電子濃度が増大し、フリーキャリア損失が増大してしまう。これを抑制するためには、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均Ａｌ組成比、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の平均Ａｌ組成は、それぞれ１．５％以上あればよい。
［１－４－５．実施例Ｅ０５］
実施例Ｅ０５について説明する。実施例Ｅ０５の窒化物系半導体発光素子１００は、Ｎ側ガイド層１０３、第一Ｐ側ガイド層１０５、及び第二Ｐ側ガイド層１０７の膜厚において実施例Ｅ０４の窒化物系半導体発光素子１００と相違する（図１１参照）。具体的には、実施例Ｅ０５のＮ側ガイド層１０３の膜厚は、１４０ｎｍであり、第一Ｐ側ガイド層１０５の膜厚は７２ｎｍであり、第二Ｐ側ガイド層１０７の膜厚は１４８ｎｍである。このように、実施例Ｅ０５においては、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層１０３の膜厚よりも厚い。この構成による効果について、比較例Ｃ１１～比較例Ｃ１３を用いて説明する。図１１に示されるように比較例Ｃ１１の窒化物系半導体発光素子においては、第一Ｐ側ガイド層及び第二Ｐ側ガイド層の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層の膜厚よりも薄い。比較例Ｃ１２の窒化物系半導体発光素子においては、第一Ｐ側ガイド層及び第二Ｐ側ガイド層の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層の膜厚と等しい。比較例Ｃ１３の窒化物系半導体発光素子においては、第一Ｐ側ガイド層及び第二Ｐ側ガイド層の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層の膜厚よりも厚い。図１１に示される比較例Ｃ１１～比較例Ｃ１３の特性計算結果からわかるように、第一Ｐ側ガイド層及び第二Ｐ側ガイド層の合計膜厚がＮ側ガイド層の膜厚と比較して厚くなるにしたがって、実効屈折率差ΔＮが大きくなる。比較例Ｃ１３と同様に、実施例Ｅ０５の窒化物系半導体発光素子１００においても、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７の合計膜厚は、Ｎ側ガイド層１０３の膜厚より厚いため、実効屈折率差ΔＮを増大することができる。
［１－４－６．実施例Ｅ０６］
実施例Ｅ０６について説明する。実施例Ｅ０６の窒化物系半導体発光素子１００は、Ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比において、実施例Ｅ０５の窒化物系半導体発光素子１００と相違する（図１１参照）。具体的には、実施例Ｅ０６のＮ型クラッド層１０２のＡｌ組成比は、８％である。このように、実施例Ｅ０６においては、Ｎ型クラッド層１０２の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比より小さい。
この構成による効果について、比較例Ｃ１４、比較例Ｃ１２、及び比較例Ｃ１５を用いて説明する。図１１に示されるように比較例Ｃ１４の窒化物系半導体発光素子においては、Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比より小さい。比較例Ｃ１２の窒化物系半導体発光素子においては、Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比と等しい。比較例Ｃ１５の窒化物系半導体発光素子においては、Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比は、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比より大きい。
Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比が、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比と比べて小さくなるにしたがって、Ｎ型クラッド層の平均屈折率を増大することができる。したがって、窒化物系半導体発光素子の積層方向における光強度分布のピーク位置（垂直光分布ピーク位置）が、活性層からＰ型クラッド層へ向かう向きに偏り過ぎることを抑制できる。これにより、図１１の比較例Ｃ１４、比較例Ｃ１２、及び比較例Ｃ１５の特性計算結果に示されるように、Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比が、Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比と比べて小さくなるにしたがって、導波路損失を低減できる。
比較例Ｃ１４と同様に、実施例Ｅ０６の窒化物系半導体発光素子１００においても、Ｎ型クラッド層１０２の平均Ａｌ組成比が、Ｐ型クラッド層１０８の平均Ａｌ組成比より小さいため、導波路損失を低減できる。
［１－４－７．実施例Ｅ０７］
実施例Ｅ０７について図１９を用いて説明する。図１９は、実施例Ｅ０７の半導体積層体１００Ｓの積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。図１９に示されるように、実施例Ｅ０７は、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７のＡｌ組成比が活性層１０４から遠ざかるにしたがって単調に増加する領域を含む点において、実施例Ｅ０１と相違し、その他の構成において一致する。言い換えると、実施例Ｅ０７においては、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７は、活性層１０４から遠ざかるにしたがってバンドギャップエネルギーが増大するバンドギャップ傾斜領域を含む。ここで、Ａｌ組成比が単調に増加する構成には、積層方向においてＡｌ組成比が一定である領域が存在する構成も含まれる。例えば、Ａｌ組成比がステップ状に増加する構成も含まれる。実施例Ｅ０７においては、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７のＡｌ組成比は、それぞれ、Ｘｐｇ１及びＸｐｇ２で表される。例えば、第一Ｐ側ガイド層１０５の活性層１０４から近い方の界面付近、及び、遠い方の界面付近におけるＡｌ組成比Ｘｐｇ１は、それぞれ、１．５％、及び２．５％である。第二Ｐ側ガイド層１０７の活性層１０４から近い方の界面付近、及び、遠い方の界面付近におけるＡｌ組成比Ｘｐｇ２は、それぞれ、３．５％、及び４．５％である。
このように、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７において、活性層１０４から遠ざかるにしたがってＡｌ組成比を単調に増加させることで、各層の屈折率を活性層１０４に近づくにしたがって増大させることができる。したがって、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７における活性層１０４に近い領域の屈折率を高めることができるため、積層方向における光強度分布のピーク位置が活性層１０４からＰ型クラッド層１０８へ向かう向きに偏り過ぎることを抑制できる。これにより、導波路損失を低減できる。
実施例Ｅ０７によれば、光閉じ込め係数が５．５２％であり、実効屈折率差ΔＮが２０．９×１０－３であり、導波路損失が４．７１ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が１５．１ｎｍである窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。
［１－４－８．実施例Ｅ０８］
実施例Ｅ０８について説明する。実施例Ｅ０８は、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７のＡｌ組成比が活性層１０４から遠ざかるにしたがって単調に増加する領域を含む点において、実施例Ｅ０４と相違し、その他の構成において一致する。言い換えると、実施例Ｅ０８においては、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７は、活性層１０４から遠ざかるにしたがってバンドギャップエネルギーが増大するバンドギャップ傾斜領域を含む。実施例Ｅ０８においても、実施例Ｅ０７と同様に、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７のＡｌ組成比は、それぞれ、Ｘｐｇ１及びＸｐｇ２で表される。例えば、第一Ｐ側ガイド層１０５の活性層１０４から近い方の界面付近、及び、遠い方の界面付近におけるＡｌ組成比Ｘｐｇ１は、それぞれ、３．５％、及び４．５％である。第二Ｐ側ガイド層１０７の活性層１０４から近い方の界面付近、及び、遠い方の界面付近におけるＡｌ組成比Ｘｐｇ２は、それぞれ、５．５％、及び６．５％である。
このように、実施例Ｅ０８においても、実施例Ｅ０７と同様に、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７において、活性層１０４から遠ざかるにしたがってＡｌ組成比を単調に増加させることで、積層方向における光強度分布のピーク位置が活性層１０４からＰ型クラッド層１０８へ向かう向きに偏り過ぎることを抑制できる。これにより、導波路損失を低減できる。
なお、実施例Ｅ０７及び実施例Ｅ０８においては、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７の両方が、バンドギャップ傾斜領域を含んだが、第一Ｐ側ガイド層１０５及び第二Ｐ側ガイド層１０７の少なくとも一方がバンドギャップ傾斜領域を含んでもよい。このような構成においても、同様の効果が奏される。
実施例Ｅ０８によれば、光閉じ込め係数が６．０６％であり、実効屈折率差ΔＮが２２．１×１０－３であり、導波路損失が４．３７ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が１３．２ｎｍである窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。
［１－４－９．実施例Ｅ０９］
実施例Ｅ０９について説明する。実施例Ｅ０９においては、第一Ｐ側ガイド層１０５が、Ａｌ、及びＩｎを含む点において、実施例Ｅ０２と相違し、その他の構成において一致する。実施例Ｅ０９においては、第一Ｐ側ガイド層１０５の組成は、Ａｌ０．０４Ｇａ０．９５１６Ｉｎ０．００８４Ｎである。このように、第一Ｐ側ガイド層１０５がＡｌ、及びＩｎを含むことで、第一Ｐ側ガイド層１０５のバンドギャップエネルギーと、格子定数とを独立に制御することが可能となる。
ここで、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層におけるバンドギャップエネルギーと、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（０≦ｚ＜１）におけるバンドギャップエネルギーとの関係について図２０を用いて説明する。図２０は、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層におけるバンドギャップエネルギーと、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層におけるバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。図２０において、横軸は、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層におけるＩｎ組成比ｙを示し、縦軸は、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層におけるＡｌ組成比ｘを示す。図２０には、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層において、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層と同一のバンドギャップエネルギーを得るためのＩｎ組成比ｙとＡｌ組成比ｘとの関係が示されている。なお、図２０においては、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層のＡｌ組成比ｚが０、０．０５、０．１０、０．１５、０．２０、０．２５、０．３０、０．３５、及び０．４０である場合の各々の関係が示されている。また、図２０には、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層の格子定数と、ＧａＮ層の格子定数とを等しくするためのＩｎ組成比ｙとＡｌ組成比ｘとの関係が破線で示されている。したがって、図２０のグラフにおける破線より上（又は左）の領域は、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層の格子定数が、ＧａＮ層の格子定数より小さい組成を示し、破線より下（又は右）の領域は、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層の格子定数が、ＧａＮ層の格子定数より大きい組成を示す。なお、格子定数の計算においては、ＡｌＮ、ＧａＮ、及びＩｎＮの格子定数として、それぞれ、０．３１１ｎｍ、０．３１８２ｎｍ、及び０．３５４ｎｍを用いている。
ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層においてＡｌｚＧａ１－ｚＮ層と同一のバンドギャップエネルギーを得るためには、図２０に示されるように、以下の式（１）が成り立つ必要がある。
ｘ＝（－０．１７２７ｚ＋２．５９５）ｙ＋ｚ （１）
このように、上記各実施例のＡｌＧａＮ層からなる第一Ｐ側ガイド層１０５を、バンドギャップエネルギーを変えることなく、ＡｌＧａＩｎＮ層からなる第一Ｐ側ガイド層１０５に置き換えることができる。
また、例えば、実施例Ｅ０２の半導体積層体１００Ｓでは、基板１０１に対する引っ張り性の歪が比較的大きくなるため、窒化物系半導体発光素子１００において反りが生じ得る。ここで、窒化物系半導体発光素子１００における反りについて、図２１を用いて説明する。図２１は、本実施の形態に係る基板１０１に半導体積層体１００Ｓを積層した場合に生じる基板１０１及び半導体積層体１００Ｓの反りを示す模式的な側面図である。
図２１に示されるように、基板１０１に半導体積層体１００Ｓを積層する（つまり、結晶成長させる）と、半導体積層体１００Ｓ内のＡｌＧａＮ層によって生じる基板１０１に対する引っ張り性の歪により、基板１０１及び半導体積層体１００Ｓに反りが生じる。例えば、実施例Ｅ０２では、ＡｌＧａＮ層によって生じる基板１０１に対する引っ張り性の歪により、半導体積層体１００Ｓの上面が凹状となる向きの反りが生じる。ここで、半導体積層体１００Ｓの上面が凹状になる場合の反り量（つまり、図２１において矢印で示される凹部の深さΔＲ）は、負の数値で表される。一方、半導体積層体１００Ｓの上面が凸状になる場合の反り量（つまり、凸部の高さ）は、正の数値で表される。
実施例Ｅ０９では、第一Ｐ側ガイド層１０５のＩｎ組成比ｙ及びＡｌ組成比ｘを調整することで、第一Ｐ側ガイド層１０５の格子定数をバンドギャップエネルギーと独立に調整できるため、第一Ｐ側ガイド層１０５の基板１０１に対する引っ張り性の歪を低減することができる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の反りを低減できる。これにより、基板１０１の母材となるＧａＮウェハに半導体積層体１００Ｓを積層し、加工する際に、ウェハの割れ、及び、ウェハにおけるクラックの発生を抑制できる。
実施例Ｅ０９によれば、光閉じ込め係数が５．６２％であり、実効屈折率差ΔＮが１９．６×１０－３であり、導波路損失が４．９０ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が１４．３ｎｍである窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。
なお、実施例Ｅ０９では、第一Ｐ側ガイド層１０５だけがＡｌ、及びＩｎを含んだが、Ｎ側ガイド層１０３、第二Ｐ側ガイド層１０７、及びＰ型クラッド層１０８もＡｌ、及びＩｎを含んでもよい。このような構成においても、実施例Ｅ０１などと同様に、Ｎ側ガイド層１０３のバンドギャップエネルギーＥｎｇと、第一Ｐ側ガイド層１０５のバンドギャップエネルギーＥｐｇ１と、第二Ｐ側ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーＥｐｇ２と、Ｐ型クラッド層１０８のバンドギャップエネルギーＥｐｃとの間に以下の式（２）及び式（３）の関係を成立させることができる。
Ｅｐｇ１＜Ｅｐｇ２＜Ｅｐｃ （２）
Ｅｐｇ１＜Ｅｎｇ＜Ｅｐｇ２ （３）
このことについて、以下で式（１）を用いて説明する。式（１）変形すると以下の式（４）が得られる。
ｚ＝（ｘ－２．５９５ｙ）／（１．０－０．１７２７ｙ） （４）
ここで、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層においてＡｌ組成比ｚが大きくなるにしたがって、バンドギャップエネルギーが大きくなるため、以下の式（５）が成り立つ場合に、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層のバンドギャップエネルギーが、ＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ層のバンドギャップエネルギーよりも大きくなる。
ｚ＞（ｘ－２．５９５ｙ）／（１．０－０．１７２７ｙ） （５）
このことから、第一Ｐ側ガイド層１０５がＡｌＸｐｇ１Ｇａ１－Ｘｐｇ１－Ｙｐｇ１ＩｎＹｐｇ１Ｎからなり、第二Ｐ側ガイド層１０７がＡｌＸｐｇ２Ｇａ１－Ｘｐｇ２－Ｙｐｇ２ＩｎＹｐｇ２Ｎからなる場合、以下の式（６）を満たすことで、第一Ｐ側ガイド層１０５のバンドギャップエネルギーＥｐｇ１を第二Ｐ側ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーＥｐｇ２より小さくすることができる。
（Ｘｐｇ１－２．５９５Ｙｐｇ１）／（１．０－０．１７２７Ｙｐｇ１）
＜（Ｘｐｇ２－２．５９５Ｙｐｇ２）／（１．０－０．１７２７Ｙｐｇ２）
（６）
さらに、Ｐ型クラッド層１０８がＡｌＸｐｃＧａ１－Ｘｐｃ－ＹｐｃＩｎＹｐｃＮからなる場合、以下の式（７）を満たすことで、式（２）が成り立つ。
（Ｘｐｇ１－２．５９５Ｙｐｇ１）／（１．０－０．１７２７Ｙｐｇ１）
＜（Ｘｐｇ２－２．５９５Ｙｐｇ２）／（１．０－０．１７２７Ｙｐｇ２）
＜（Ｘｐｃ－２．５９５Ｙｐｃ）／（１．０－０．１７２７Ｙｐｃ）
（７）
これにより、第一Ｐ側ガイド層１０５、第二Ｐ側ガイド層１０７、及びＰ型クラッド層１０８のうち、第一Ｐ側ガイド層１０５の屈折率を最も大きくすることができるため、垂直光分布ピーク位置を活性層１０４の積層方向中央に近づけることができる。
また、Ｎ側ガイド層１０３がＡｌＸｎｇＧａ１－Ｘｎｇ－ＹｎｇＩｎＹｎｇＮからなる場合、以下の式（８）を満たすことで、式（３）が成り立つ。
（Ｘｐｇ１－２．５９５Ｙｐｇ１）／（１．０－０．１７２７Ｙｐｇ１）
＜（Ｘｎｇ－２．５９５Ｙｎｇ）／（１．０－０．１７２７Ｙｎｇ）
＜（Ｘｐｇ２－２．５９５Ｙｐｇ２）／（１．０－０．１７２７Ｙｐｇ２）
（８）
これにより、第一Ｐ側ガイド層１０５の屈折率を、Ｎ側ガイド層１０３及び第二Ｐ側ガイド層１０７の各屈折率より大きくすることができる。したがって、垂直光分布ピーク位置をより一層活性層１０４の積層方向中央に近づけることができる。
［１－４－１０．実施例Ｅ１０］
実施例Ｅ１０について説明する。実施例Ｅ１０においては、第一Ｐ側ガイド層１０５が、Ａｌ、及びＩｎを含む点において、実施例Ｅ０５と相違し、その他の構成において一致する。実施例Ｅ１０においては、第一Ｐ側ガイド層１０５の組成は、Ａｌ０．０４Ｇａ０．９５１６Ｉｎ０．００８４Ｎである。このように、第一Ｐ側ガイド層１０５がＡｌ、及びＩｎを含むことで、実施例Ｅ１０においても、実施例Ｅ０９と同様の効果が奏される。
実施例Ｅ１０によれば、光閉じ込め係数が６．１２％であり、実効屈折率差ΔＮが２２．３×１０－３であり、導波路損失が４．０２ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が１４．０ｎｍである窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。
［１－４－１１．実施例Ｅ１１］
実施例Ｅ１１について説明する。実施例Ｅ１１においては、Ｎ型クラッド層１０２が、Ａｌ、及びＩｎを含む点において、実施例Ｅ０２と相違し、その他の構成において一致する。実施例Ｅ１１においては、Ｎ型クラッド層１０２の組成は、Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．０１Ｎである。このように、Ｎ型クラッド層１０２がＡｌ、及びＩｎを含むことによる効果について、図２２～図２４を用いて説明する。図２２は、実施例Ｅ１１の半導体積層体１００Ｓの積層方向における位置とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。図２３は、実施例Ｅ１１の半導体積層体１００Ｓの積層方向における位置と応力との関係を示すグラフである。図２３に示される応力は、基板１０１に対する応力であり、応力の値が正であることは、応力が圧縮性であることを意味し、応力の値が負であることは、応力が引っ張り性であることを意味する。なお、図２３には、Ｎ型クラッド層１０２が、実施例Ｅ０２と同様にＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎからなる場合の応力が点線で併せて示されている。図２４は、実施例Ｅ１１の半導体積層体１００Ｓの積層方向における位置と、積分応力との関係を示すグラフである。ここで、積分応力は、半導体積層体１００ＳにおけるＮ型クラッド層１０２と基板１０１との界面から積層方向の上方に向かって半導体積層体１００Ｓの積層方向の各位置における応力を積分した値を意味する。言い換えると、積分応力は、図２３に示される応力を位置ゼロから積層方向の各位置まで積分した値を意味する。なお、図２４には、Ｎ型クラッド層１０２が、実施例Ｅ０２と同様にＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎからなる場合の積分応力が点線で併せて示されている。
図２２に示されるように、実施例Ｅ１１では、実施例Ｅ０２より、Ｎ型クラッド層１０２のバンドギャップエネルギーを低減できる。つまり、実施例Ｅ１１では、実施例Ｅ０２より、Ｎ型クラッド層１０２の屈折率を増大できる。したがって、積層方向における光強度分布のピーク位置が、活性層１０４からＰ型クラッド層１０８に向かう向きに偏り過ぎることを抑制できる。
また、図２３及び図２４に示されるように、実施例Ｅ１１では、実施例Ｅ０２より、Ｎ型クラッド層１０２における引っ張り性の応力（歪）を低減できる。例えば、実施例Ｅ０２の半導体積層体１００Ｓを、大きさが５ｃｍ角で厚さが８５μｍのＧａＮ基板上に積層した場合、積分応力は、－７２５．８Ｐａ・ｍとなり、ウェハの反り（図２１参照）は、５５３．６μｍとなる。一方、実施例Ｅ１１の半導体積層体１００Ｓを、大きさが５ｃｍ角で厚さが８５μｍのＧａＮ基板上に積層した場合、積分応力は、－４３６．４Ｐａ・ｍとなり、ウェハの反りは、３３５．０μｍとなる。このように実施例Ｅ１１によれば、ウェハの反りを低減できるため、ウェハの割れ、及び、ウェハにおけるクラックの発生を抑制できる。
実施例Ｅ１１によれば、光閉じ込め係数が４．９５％であり、実効屈折率差ΔＮが９．２９×１０－３であり、導波路損失が４．２３ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が８．２ｎｍである窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。
［１－４－１２．実施例Ｅ１２］
実施例Ｅ１２について説明する。実施例Ｅ１２においては、Ｎ型クラッド層１０２が、Ａｌ、及びＩｎを含む点において、実施例Ｅ０５と相違し、その他の構成において一致する。実施例Ｅ１２においては、Ｎ型クラッド層１０２の組成は、Ａｌ０．１０Ｇａ０．８９Ｉｎ０．０１Ｎである。このように、Ｎ型クラッド層１０２がＡｌ、及びＩｎを含むことによる効果について、図２５～図２７を用いて説明する。図２５は、実施例Ｅ１２の半導体積層体１００Ｓの積層方向における位置とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。図２６は、実施例Ｅ１２の半導体積層体１００Ｓの積層方向における位置と応力との関係を示すグラフである。なお、図２６には、Ｎ型クラッド層１０２が、実施例Ｅ０５と同様にＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる場合の応力が点線で併せて示されている。図２７は、実施例Ｅ１２の半導体積層体１００Ｓの積層方向における位置と、積分応力との関係を示すグラフである。なお、図２７には、Ｎ型クラッド層１０２が、実施例Ｅ０５と同様にＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる場合の積分応力が点線で併せて示されている。
実施例Ｅ１２の半導体積層体１００Ｓを、大きさが５ｃｍ角で厚さが８５μｍのＧａＮ基板上に積層した場合、積分応力は、－８３５．５Ｐａ・ｍとなり、ウェハの反り（図２１参照）は、６３９．４μｍとなる。一方、Ｎ型クラッド層１０２が、実施例Ｅ０５と同様にＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる場合の半導体積層体１００Ｓを、大きさが５ｃｍ角で厚さが８５μｍのＧａＮ基板上に積層した場合、積分応力は、－１１２６．４Ｐａ・ｍとなり、ウェハの反りは、８５８．９μｍとなる。図２５～図２７に示されるように、Ｎ型クラッド層１０２がＡｌ、及びＩｎを含むことで、実施例Ｅ１２においても、実施例Ｅ１１と同様の効果が奏される。
実施例Ｅ１２によれば、光閉じ込め係数が５．８７％であり、実効屈折率差ΔＮが１０．９×１０－３であり、導波路損失が３．５ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が１１．０ｎｍである窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。
［１－４－１３．実施例Ｅ１３］
実施例Ｅ１３について説明する。実施例Ｅ１３においては、ウェル層１０４ｂが、Ａｌ、及びＩｎを含む点において、実施例Ｅ０２と相違し、その他の構成において一致する。実施例Ｅ１３においては、ウェル層１０４ｂの組成は、Ａｌ０．０７１Ｇａ０．８８９Ｉｎ０．０４Ｎである。
窒化物系半導体発光素子１００において、３７５ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の光を出射するためには、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎのバンドギャップエネルギー以上であって、ＧａＮのバンドギャップエネルギー以下のバンドギャップエネルギーを有するウェル層１０４ｂを用いる必要がある。以下、ウェル層１０４ｂの組成について、図２８を用いて説明する。図２８は、実施例Ｅ１３のウェル層１０４ｂに求められる組成を説明するためのグラフである。図２８の横軸は、Ｉｎ組成比ｙを示し、縦軸は、Ａｌ組成比ｘを示す。
ウェル層１０４ｂの組成をＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮとする場合、ウェル層１０４ｂのバンドギャップエネルギーをＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎのバンドギャップエネルギー以上、ＧａＮのバンドギャップエネルギー以下とするためには、以下の式（９）を満たせばよい。
２．３４ｙ≧ｘ≧２．３４ｙ－０．２３４ （９）
つまり、ウェル層１０４ｂのＡｌ組成比ｘ及びＩｎ組成比ｙは、図２８に示される実線と破線とで挟まれる領域に対応する値であれば、３７５ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の光を出射し得る。
ここで、ウェル層１０４ｂのＧａＮに対する格子不整について、図２９を用いて説明する。図２９は、ウェル層１０４ｂのＩｎ組成比と、ＧａＮに対する格子不整との関係を示すグラフである。
例えば、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎは、ＧａＮに対して、０．１１％の圧縮性の格子不整を有するため、ウェル層１０４ｂの組成をＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎとする場合にウェル層１０４ｂに生じる圧縮性の格子不整は、高々０．１１％である。これに対して、ウェル層１０４ｂの組成を、式（９）を満たすＡｌ組成比ｘ及びＩｎ組成比ｙを有するＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮとする場合について説明する。この場合、例えば、Ｉｎ組成比ｙを０．０４とすると、図２９に示されるように、ウェル層１０４ｂに生じる圧縮性の格子不整は、０．２３％以上０．２８％以下となる。このように、ウェル層１０４ｂがＡｌ、及びＩｎを含むことで、ウェル層１０４ｂに生じる圧縮性の格子不整を増大させることができる。したがって、活性層１０４及びその周辺の領域における引っ張り性の歪を低減できる。ウェル層１０４ｂにおけるＩｎ組成比を例えば、０．０６とすると、図２９に示されるように、ウェル層１０４ｂの圧縮性の格子不整を０．３４％以上０．３８％以下まで増大させることができるため、活性層１０４及びその周辺の領域における引っ張り性の歪をより一層低減できる。
また、ウェル層１０４ｂの圧縮性の歪を増大することで、ウェル層１０４ｂに形成されるヘビーホールとライトホールとの基底準位のエネルギー差が増大する。この結果、窒化物系半導体発光素子１００に電流を供給することで動作させる場合、基底準位のヘビーホール数を増大させることができるため、発振しきい電流値を低減できる。したがって、動作キャリア密度を低減できるため、ウェル層１０４ｂにおける電流注入領域の屈折率変化、及び、プラズマ効果による屈折率低下を抑制できる。このことから、実効屈折率差ΔＮの低下を抑制できるため、レーザ光の水平横モードを安定化させることができる。
実施例Ｅ１３によれば、光閉じ込め係数が５．６９％であり、実効屈折率差ΔＮが１８．７９×１０－３であり、導波路損失が４．９６ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が１２．８４ｎｍである窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。
［１－４－１４．実施例Ｅ１４］
実施例Ｅ１４について説明する。実施例Ｅ１４は、Ｎ側ガイド層１０３の構成において実施例Ｅ０１と相違し、その他の構成において一致する。以下、実施例Ｅ１４の半導体積層体１００Ｓの構成について、図３０を用いて説明する。図３０は、実施例Ｅ１４の半導体積層体１００Ｓの積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布を模式的に示すグラフである。
図３０に示されるように、実施例１４のＮ側ガイド層１０３は、第一Ｎ側ガイド層１０３ａと、第一Ｎ側ガイド層１０３ａの上方に配置される第二Ｎ側ガイド層１０３ｂとを有する。第一Ｎ側ガイド層１０３ａのバンドギャップエネルギーは、第二Ｎ側ガイド層１０３ｂのバンドギャップエネルギーより大きい。また、第一Ｎ側ガイド層１０３ａのＡｌ組成比Ｘｎｇ１は、第二Ｎ側ガイド層１０３ｂのＡｌ組成比Ｘｎｇより大きい。具体的には、第一Ｎ側ガイド層１０３ａは、膜厚９０ｎｍのアンドープＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。つまり、第一Ｎ側ガイド層１０３ａのＡｌ組成比Ｘｎｇ１は、４．０％である。一方、第二Ｎ側ガイド層１０３ｂは、膜厚９０ｎｍのアンドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。つまり、第二Ｎ側ガイド層１０３ｂのＡｌ組成比Ｘｎｇ２は、２．０％である。
実施例Ｅ１４においては、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比Ｘｎｇは、３．０％であり、Ｘｐｇ１＜Ｘｎｇ＜Ｘｐｇ２を満たす。
Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比とは、第一Ｎ側ガイド層１０３ａ及び第二Ｎ側ガイド層１０３ｂの二層におけるＡｌ組成比分布を考慮した平均Ａｌ組成比である。より詳しく説明すると、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比とは、第一Ｎ側ガイド層１０３ａ及び第二Ｎ側ガイド層１０３ｂの二層におけるある位置でのＡｌ組成比の大きさを、第一Ｎ側ガイド層１０３ａの基板１０１側の界面の位置から第二Ｎ側ガイド層１０３ｂの活性層１０４側の界面の位置まで積層方向に積分し、第一Ｎ側ガイド層１０３ａ及び第二Ｎ側ガイド層１０３ｂの合計膜厚で割ったＡｌ組成比の値のことである。
Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比に関して上記不等式を満たすことにより、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均屈折率は、Ｎ側ガイド層１０３の平均屈折率より大きく、かつ、Ｎ側ガイド層１０３の平均屈折率は、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均屈折率より大きくなる。
ここで、Ｎ側ガイド層１０３の平均屈折率とは、第一Ｎ側ガイド層１０３ａと第二Ｎ側ガイド層１０３ｂの二層における屈折率分布を考慮した平均屈折率を意味する。より詳しく説明するとは、Ｎ側ガイド層１０３の平均屈折率とは、第一Ｎ側ガイド層１０３ａ及び第二Ｎ側ガイド層１０３ｂの二層を含むある位置での屈折率の大きさを、第一Ｎ側ガイド層１０３ａの基板１０１側の界面の位置から第二Ｎ側ガイド層１０３ｂの活性層１０４側の界面の位置まで積層方向に積分し、第一Ｎ側ガイド層１０３ａ及び第二Ｎ側ガイド層１０３ｂの合計膜厚で割った屈折率の値のことである。
実施例Ｅ１４による効果について説明するために、比較例Ｃ３０の半導体積層体と比較しながら説明する。比較例Ｃ３０の半導体積層体１００Ｓは、実施の形態１に係る半導体積層体１００Ｓの一例であり、第一Ｎ側ガイド層１０３ａのバンドギャップエネルギーが、第二Ｎ側ガイド層１０３ｂのバンドギャップエネルギーより小さい点において、実施例Ｅ１４と相違し、その他の構成において一致する。比較例Ｃ３０の第一Ｎ側ガイド層１０３ａは、膜厚９０ｎｍのアンドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層であり、第二Ｎ側ガイド層１０３ｂは、膜厚９０ｎｍのアンドープＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。このように比較例Ｃ３０では、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成は、実施例Ｅ０１及び実施例Ｅ１４と同一であり、Ｎ側ガイド層１０３の活性層１０４から遠い領域である第一Ｎ側ガイド層１０３ａのＡｌ組成は２％であり、Ｎ側ガイド層１０３の活性層１０４に近い領域である第二Ｎ側ガイド層１０３ｂのＡｌ組成比は４％である。
比較例Ｃ３０の半導体積層体を備える窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数が５．１％であり、実効屈折率差ΔＮが１６．８×１０－３であり、導波路損失が６．１ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が１１．６ｎｍである。このように、比較例Ｃ３０の半導体積層体を備える窒化物系半導体発光素子では、各特性が、実施例Ｅ０１ほど良くない。
一方、実施例Ｅ１４のように、Ｎ側ガイド層１０３の活性層１０４に近い領域のＡｌ組成比（Ｘｎｇ２）を小さくすると、Ｎ側ガイド層１０３の活性層１０４に近い領域の屈折率が、Ｎ側ガイド層１０３の活性層１０４から遠い領域の屈折率よりも高くなる。このため、活性層１０４近傍の、アンドープの第一Ｎ側ガイド層１０３ａ、第二Ｎ側ガイド層１０３ｂ、及び、第一Ｐ側ガイド層１０５に位置する光の割合が増大する。したがって、実施例Ｅ１４の半導体積層体１００Ｓを備える窒化物系半導体発光素子１００では、実施例Ｅ０１の半導体積層体１００Ｓを備える窒化物系半導体発光素子１００に対して、導波路損失がさらに低減され、かつ、活性層１０４への光閉じ込め係数がさらに増大する。
具体的には、実施例Ｅ１４によれば、光閉じ込め係数が６．２％であり、実効屈折率差ΔＮが１７．４×１０－３であり、導波路損失が３．６ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が５．６ｎｍである窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。
このように、実施例Ｅ１４によれば、垂直光分布ピーク位置を活性層１０４のウェル層１０４ｂ領域に位置させたまま、１０×１０－３以上の実効屈折率差ΔＮを実現でき、かつ、導波路損失の低減、及び、光閉じ込め係数の増大を図ることができる。
［１－４－１５．実施例Ｅ１５］
実施例Ｅ１５について説明する。実施例Ｅ１５においては、Ｎ側ガイド層１０３の構成において実施例Ｅ０１と相違し、その他の構成において一致する。以下、実施例Ｅ１５の半導体積層体１００Ｓの構成について、図３１を用いて説明する。図３１は、実施例Ｅ１５の半導体積層体１００Ｓの積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布を模式的に示すグラフである。
図３１に示されるように、実施例Ｅ１５のＮ側ガイド層１０３は、Ａｌ組成比が活性層１０４から遠ざかるにしたがって単調に増加する領域を含む点において、実施例Ｅ０１のＮ側ガイド層１０３と相違する。言い換えると、実施例Ｅ１５においては、Ｎ側ガイド層１０３は、活性層１０４から遠ざかるにしたがってバンドギャップエネルギーが増大するバンドギャップ傾斜領域を含む。Ｎ側ガイド層１０３の活性層１０４から近い方の界面付近、及び、遠い方の界面付近におけるＡｌ組成比Ｘｎｇは、それぞれ、２．０％、及び４．０％である。
実施例Ｅ１５においては、Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比Ｘｎｇは、３．０％であり、Ｘｐｇ１＜Ｘｎｇ＜Ｘｐｇ２を満たす。
Ｎ側ガイド層１０３の平均Ａｌ組成比に関して上記不等式を満たすことにより、第一Ｐ側ガイド層１０５の平均屈折率は、Ｎ側ガイド層１０３の平均屈折率より大きく、かつ、Ｎ側ガイド層１０３の平均屈折率は、第二Ｐ側ガイド層１０７の平均屈折率より大きくなる。
以上のように、Ｎ側ガイド層１０３の活性層１０４に近い領域のＡｌ組成比を小さくすると、Ｎ側ガイド層１０３の活性層１０４に近い領域の屈折率が、Ｎ側ガイド層１０３の活性層１０４から遠い領域の屈折率よりも高くなる。このため、活性層１０４近傍の、アンドープのＮ側ガイド層１０３及び第一Ｐ側ガイド層１０５に位置する光の割合が増大する。したがって、実施例Ｅ１５の半導体積層体１００Ｓを備える窒化物系半導体発光素子１００では、実施例Ｅ０１の半導体積層体１００Ｓを備える窒化物系半導体発光素子１００に対して、導波路損失がさらに低減され、かつ、活性層１０４への光閉じ込め係数がさらに増大する。
具体的には、実施例Ｅ１５によれば、光閉じ込め係数が５．９％であり、実効屈折率差ΔＮが１７．４×１０－３であり、導波路損失が４．１ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が６．５ｎｍである窒化物系半導体発光素子１００を実現できる。
このように、実施例Ｅ１５によれば、垂直光分布ピーク位置を活性層１０４のウェル層１０４ｂ領域に位置させたまま、１０×１０－３以上の実効屈折率差ΔＮを実現でき、かつ、導波路損失の低減、及び、光閉じ込め係数の増大を図ることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、バッファ層を備える点において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に、図３２を用いて説明する。図３２は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の全体構成を示す模式的な断面図である。
図３２に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００は、基板１０１と、半導体積層体２００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。本実施の形態に係る半導体積層体２００Ｓは、バッファ層２２１を備える点において、実施の形態１に係る半導体積層体１００Ｓと相違し、その他の点において一致する。
バッファ層２２１は、基板１０１と、Ｎ型クラッド層１０２との間に配置され、ＩｎＧａＮからなる第一バッファ層の一例である。本実施の形態では、バッファ層２２１は、濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされた膜厚１５０ｎｍのＮ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００は、バッファ層２２１を備えるため、半導体積層体２００Ｓに圧縮性の歪を加えることができる。これにより、半導体積層体２００Ｓの引っ張り性の歪を低減できるため、ＧａＮウェハに半導体積層体２００Ｓを積層し、加工する際に、ウェハの割れ、及び、ウェハにおけるクラックの発生を抑制できる。例えば、半導体積層体２００Ｓを、大きさが５ｃｍ角で厚さが８５μｍのＧａＮ基板上に積層した場合、積分応力は、－１７３．４Ｐａ・ｍとなり、ウェハの反りは、１３８．１μｍとなる。
また、基板１０１としてＧａＮ基板を用いる場合、光が基板１０１に到達すると、導波モードに対する半導体積層体２００Ｓの実効屈折率より基板１０１の屈折率の方が高いため、光が基板１０１全体に拡散する。この場合、導波モードの活性層１０４への光閉じ込め係数が低下し、導波路損失が増大するため、発振しきい電流値が増大する。この結果、ウェル層１０４ｂでの動作キャリア密度が増大し、ウェル層１０４ｂにおける電流注入領域の屈折率の低下により、実効屈折率差ΔＮが小さくなり、リッジ１０８Ｒを含む導波路を伝搬する光の導波機構は、屈折率反導波型の導波機構となる。このため、水平横モードが不安定化し、電流－光出力特性にキンクが生じ易くなる。
一方、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００のように、紫外光に相当するエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＮからなるバッファ層２２１を備えることで、バッファ層２２１において光が吸収されるため、基板１０１に光が到達することを抑制できる。
本実施の形態によれば、光閉じ込め係数が５．６９％であり、実効屈折率差ΔＮが１８．７９×１０－３であり、導波路損失が４．９６ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置が１２．８４ｎｍである窒化物系半導体発光素子２００を実現できる。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、二層のバッファ層を備える点において、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００との相違点を中心に、図３３を用いて説明する。図３３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００の全体構成を示す模式的な断面図である。
図３３に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００は、基板１０１と、半導体積層体３００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。本実施の形態に係る半導体積層体３００Ｓは、バッファ層３２１を備える点において、実施の形態２に係る半導体積層体２００Ｓと相違し、その他の点において一致する。
バッファ層３２１は、基板１０１と、Ｎ型クラッド層１０２との間に配置され、ＡｌＧａＮからなる第二バッファ層の一例である。本実施の形態では、バッファ層３２１は、基板１０１と、バッファ層２２１との間に配置される。バッファ層３２１は、濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされた膜厚１０００ｎｍのＮ型Ａｌ０．００７Ｇａ０．９９３Ｎ層である。
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００によっても、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００と同様の効果が奏される。例えば、半導体積層体３００Ｓを、大きさが５ｃｍ角で厚さが８５μｍのＧａＮ基板上に積層した場合、積分応力は、－２２７．５Ｐａ・ｍとなり、ウェハの反りは、１７３．８μｍとなる。
本実施の形態によれば、光閉じ込め係数が５．６９％であり、実効屈折率差ΔＮが１８．７９×１０－３であり、導波路損失が４．９６ｃｍ－１であり、垂直光分布ピーク位置
が１２．８４ｎｍである窒化物系半導体発光素子３００を実現できる。
（変形例など）
以上、本開示に係る窒化物系半導体発光素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記各実施の形態においては、窒化物系半導体発光素子が半導体レーザ素子である例を示したが、窒化物系半導体発光素子は、半導体レーザ素子に限定されない。例えば、窒化物系半導体発光素子は、スーパールミネッセントダイオードであってもよい。この場合、窒化物系半導体発光素子が備える半導体積層体の端面の半導体積層体からの出射光に対する反射率は、０．１％以下であってもよい。このような反射率は、例えば、端面に、誘電体多層膜などからなる反射防止膜を形成することによって実現できる。又は、導波路となるリッジがフロント端面の法線方向から５°以上傾いてフロント端面と交わる傾斜ストライプ構造とすれば、フロント端面で反射した導波光が再び導波路と結合し導波光となる成分の割合を０．１％以下の小さい値とすることができる。
また、Ｐ型クラッド層１０８は、Ａｌ組成比が均一な層であったが、Ｐ型クラッド層１０８の構成はこれに限定されない。例えば、Ｐ型クラッド層１０８は、複数のＡｌＧａＮ層の各々と、複数のＧａＮ層の各々とが交互に積層された超格子構造を有してもよい。
また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
例えば、実施の形態２及び実施の形態３に係る各バッファ層を実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００の各実施例に適用してもよい。
本開示の窒化物系半導体発光素子は、例えば、高出力かつ高効率な光源として露光装置及び加工機用の光源などに適用できる。
１００、２００、３００ 窒化物系半導体発光素子
１００Ｆ、１００Ｒ 端面
１００Ｓ、２００Ｓ、３００Ｓ 半導体積層体
１０１ 基板
１０２ Ｎ型クラッド層
１０３ Ｎ側ガイド層
１０３ａ 第一Ｎ側ガイド層
１０３ｂ 第二Ｎ側ガイド層
１０４ 活性層
１０４ａ、１０４ｃ バリア層
１０４ｂ ウェル層
１０５ 第一Ｐ側ガイド層
１０６、９１６、９２６ 電子障壁層
１０７ 第二Ｐ側ガイド層
１０８ Ｐ型クラッド層
１０８Ｒ リッジ
１０８Ｔ 溝
１０９ コンタクト層
１１０ 電流ブロック層
１１１ Ｐ側電極
１１２ Ｎ側電極
２２１、３２１ バッファ層
９１５、９２５ Ｐ側ガイド層

Claims (12)

  1. Ｎ型クラッド層と、
    前記Ｎ型クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、
    前記Ｎ側ガイド層の上方に配置される活性層と、
    前記活性層の上方に配置される第一Ｐ側ガイド層と、
    前記第一Ｐ側ガイド層の上方に配置される電子障壁層と、
    前記電子障壁層の上方に配置される第二Ｐ側ガイド層と、
    前記第二Ｐ側ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを備え、
    前記第二Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記第一Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、
    前記Ｐ型クラッド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記電子障壁層の平均バンドギャップエネルギーより小さく、
    前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記第一Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、
    前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記第二Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより小さく、
    前記第一Ｐ側ガイド層、前記第二Ｐ側ガイド層、及び前記Ｎ側ガイド層の各々は、ＡｌＧａＮからなり、
    前記Ｎ側ガイド層の前記活性層から最も遠い位置におけるＡｌ組成比は、前記第二Ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比より小さく、
    前記Ｎ側ガイド層の前記活性層から最も近い位置におけるＡｌ組成比は、前記第一Ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比より大きく、
    前記Ｎ側ガイド層の平均Ａｌ組成比、前記第一Ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比、及び前記第二Ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比は、１．５％以上であり、かつ、前記Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比の６０％以下であり、
    前記活性層は、紫外光を出射する
    窒化物系半導体発光素子。
  2. Ｎ型クラッド層と、
    前記Ｎ型クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、
    前記Ｎ側ガイド層の上方に配置される活性層と、
    前記活性層の上方に配置される第一Ｐ側ガイド層と、
    前記第一Ｐ側ガイド層の上方に配置される電子障壁層と、
    前記電子障壁層の上方に配置される第二Ｐ側ガイド層と、
    前記第二Ｐ側ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを備え、
    前記第二Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記第一Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、
    前記Ｐ型クラッド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記電子障壁層の平均バンドギャップエネルギーより小さく、
    前記第二Ｐ側ガイド層の膜厚は、前記第一Ｐ側ガイド層の膜厚より厚く、
    前記第二Ｐ側ガイド層には、リッジが形成されており、
    前記第一Ｐ側ガイド層、前記第二Ｐ側ガイド層、及び前記Ｎ側ガイド層の各々は、ＡｌＧａＮからなり、
    前記Ｎ側ガイド層の前記活性層から最も遠い位置におけるＡｌ組成比は、前記第二Ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比より小さく、
    前記Ｎ側ガイド層の前記活性層から最も近い位置におけるＡｌ組成比は、前記第一Ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比より大きく、
    前記Ｎ側ガイド層の平均Ａｌ組成比、前記第一Ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比、及び前記第二Ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比は、１．５％以上であり、かつ、前記Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比の６０％以下であり、
    前記活性層は、紫外光を出射する
    窒化物系半導体発光素子。
  3. 前記第二Ｐ側ガイド層の不純物濃度は、前記電子障壁層の不純物濃度より低い
    請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子。
  4. 前記Ｎ型クラッド層の下方に配置されるバッファ層をさらに備え、
    前記Ｎ型クラッド層は、ＡｌＧａＮからなり、
    前記電子障壁層は、ＡｌＧａＮからなり、
    前記Ｐ型クラッド層は、ＡｌＧａＮからなり、
    前記バッファ層は、紫外光に相当するエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する
    請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  5. 前記活性層は、
    二つのバリア層と、
    前記二つのバリア層の間に配置されるウェル層とを含む
    請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  6. 前記二つのバリア層の各々のバンドギャップエネルギーは、前記第一Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギー、及び、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、前記電子障壁層の平均バンドギャップエネルギーより小さい
    請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子。
  7. 前記第一Ｐ側ガイド層の膜厚は、前記二つのバリア層の各々の膜厚より厚い
    請求項５又は６に記載の窒化物系半導体発光素子。
  8. 前記第一Ｐ側ガイド層、及び前記第二Ｐ側ガイド層の少なくとも一方は、前記活性層から遠ざかるにしたがってバンドギャップエネルギーが増大するバンドギャップ傾斜領域を含む
    請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
  9. 前記第一Ｐ側ガイド層及び前記第二Ｐ側ガイド層の合計膜厚は、前記Ｎ側ガイド層の膜厚よりも厚い
    請求項１又は８に記載の窒化物系半導体発光素子。
  10. 前記第一Ｐ側ガイド層の平均不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－３未満である
    請求項１～９のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  11. 前記第二Ｐ側ガイド層の平均不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－３以上である
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  12. 前記Ｎ型クラッド層及び前記Ｐ型クラッド層は、Ａｌを含み、
    前記Ｎ型クラッド層の平均Ａｌ組成比は、前記Ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成比以下である
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
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